¿Hay una mejor explicación de la radiación de Hawking?

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Estoy escribiendo un artículo sobre la radiación de Hawking y descubro que tengo un problema. La explicación "dada" que encuentro en Wikipedia y en otros lugares no es satisfactoria:

"Se puede obtener una visión física del proceso imaginando que la radiación de partículas antipartículas se emite justo más allá del horizonte de sucesos. Esta radiación no proviene directamente del agujero negro en sí, sino que es el resultado de partículas virtuales que son" impulsadas "por la gravitación del agujero negro para convertirse en partículas reales [10] . Como el par partícula-antipartícula fue producido por la energía gravitacional del agujero negro, el escape de una de las partículas disminuye la masa del agujero negro [11]. Una vista alternativa del proceso es que las fluctuaciones de vacío hacen que un par de partículas-antipartículas aparezca cerca del horizonte de eventos de un agujero negro. Uno de los dos cae en el agujero negro mientras el otro escapa. Para preservar la energía total, la partícula que cayó en el agujero negro debe haber tenido una energía negativa ... "

Se basa en partículas virtuales y partículas de energía negativa. Sin embargo, las fluctuaciones del vacío no son lo mismo que las partículas virtuales, que solo existen en las matemáticas del modelo , y sabemos de las partículas de energía negativa. Entonces estoy buscando una mejor explicación. El artículo de Wikpedia también dice esto:

"En otro modelo, el proceso es un efecto de túnel cuántico, mediante el cual se formarán pares partícula-antipartícula a partir del vacío, y uno formará un túnel fuera del horizonte de eventos [10] ".

Sin embargo, eso sugiere que la producción de pares está ocurriendo dentro del horizonte de eventos, lo que parece ignorar la dilatación infinita del tiempo gravitacional, y que uno de ellos a) aparece fuera del horizonte de eventos yb) escapa como radiación de Hawking cuando la producción de pares generalmente implica la creación de Un electrón y un positrón. De nuevo es insatisfactorio. Entonces:

¿Hay una mejor explicación de la radiación de Hawking?

John Duffield
fuente
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La partícula que cae no requiere energía negativa. Lo único que importa es que algunos fotones escapan al infinito, lo que significa que parte de la energía que fue "prestada" del campo gravitacional se pierde (en forma de esos fotones). Entonces el campo gravitacional se debilita, lo que reduce la masa / energía aparente. Pero "aparente" es justo lo que vemos como observadores distantes. Lo que sucede dentro del horizonte de eventos es ... en el rango de conjeturales a nada. Dicho esto, no creo que haya una opinión mayoritaria sobre cómo surge la radiación, o si existe ...
zibadawa timmy
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Puede encontrar más información sobre Física SE dada la naturaleza bastante esotérica de este material.
StephenG
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Tomó nota de Stephen. @zibadawa timmy: pero ¿cómo "tomas prestada" energía de un campo gravitacional? Y si lo haces, ¿cómo se escapa la energía del horizonte de eventos por más de lo mismo hasta que termines sin ningún agujero negro?
John Duffield
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John, parece que no entiendes los conceptos de energía potencial o energía almacenada en los campos (gravitacional, eléctrico, etc.). Comenzaría leyendo sobre esos conceptos.
Carl Witthoft
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1. Todas estas explicaciones verbales son solo metáforas. El verdadero negocio es hacer los cálculos de Hawking, esa es la verdadera explicación. 2. Aquí hay otra metáfora: el agujero negro no es más que una tremenda curvatura espacio-temporal vinculada a sí misma, y ​​el nombre que tenemos para la curvatura espacio-temporal es "gravedad". El agujero negro no es más que gravedad, lo suficientemente intenso como para persistir. Los pares p / anti-p se crean de la misma manera que cualquier campo extremadamente intenso puede generar partículas: cuando tienes mucha energía, las partículas pueden salir de él. Por ejemplo, la radiación electromagnética también podría hacerlo.
Florin Andrei

Respuestas:

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Andy Gould propuso una derivación clásica de la radiación de Hawking en un artículo algo oscuro de 1987 . El argumento esencial es que un agujero negro debe tener una entropía finita distinta de cero (de lo contrario, podría violar la segunda ley de la termodinámica con un agujero negro). Además, la entropía del agujero negro debe depender solo de su área (de lo contrario, podría cambiar el área de un agujero negro a través del proceso de Penrose y reducir su entropía y hacer una máquina de movimiento perpetuo). Si un agujero negro tiene una entropía y una masa, entonces tiene una temperatura. Si tiene una temperatura, entonces debe irradiar térmicamente (de lo contrario, podría violar nuevamente la segunda ley de la termodinámica).

Por supuesto, si nos fijamos en la temperatura de radiación de Hawking, hay una constante de Planck allí, por lo que tiene que saber algo sobre la mecánica cuántica, ¿verdad? Pero resulta que en realidad es la termodinámica en general la que conoce la mecánica cuántica, no la relatividad general: la constante de Planck solo es necesaria para mantener las entropías finitas (y, por lo tanto, las temperaturas no son cero). Esto es cierto tanto para los agujeros negros como para los cuerpos negros.

J. O'Brien Antognini
fuente
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Fue una lectura interesante, pero noté esto en la página 5: "Uno puede considerar ahora hacer un experimento propuesto por primera vez por Geroch . Uno baja adiabáticamente una caja perfectamente reflectante llena de radiación electromagnética a una temperatura T >> T a un radio r de Schwarzschild, cerca del horizonte de eventos. Uno entonces intercambia radiación con el agujero ... ”¿B H[8]BH Seguramente no hay intercambio debido a la dilatación infinita del tiempo gravitacional? El experimento gedanke de Geroch del coloquio de Princeton de 1971 parece ser ampliamente referenciado pero no publicado. Una pista interesante, gracias de nuevo.
John Duffield
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No baje el cuadro exactamente hasta el horizonte de eventos, solo cerca del horizonte de eventos. Así que hay dilatación del tiempo, pero no es infinito y la radiación puede intercambiarse.
J. O'Brien Antognini el
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Me falta algo aquí. Si baja la caja de gedanken a algún lugar cerca del horizonte de eventos, intercambie radiación con el orificio y, cuando tire de la caja hacia arriba, no habrá radiación. Suponiendo que el agujero negro se tragó la radiación (o al menos parte de ella), la masa del agujero negro aumenta. Veré si puedo encontrar otra explicación del escenario de Geroch.
John Duffield
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Encontré esto , vea la página 2, pero está mal. Cuando bajas la caja y trabajas, en el horizonte de eventos la caja tiene la mitad de la energía con la que comenzó. Y ay, también encontré esto: arxiv.org/abs/physics/0501056 .
John Duffield
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No confiaría en el artículo de Arxiv que vinculó --- tiene aproximadamente 12 años pero nunca fue publicado en una revista revisada por pares y no tiene citas. Me parece chiflado. Y en la primera referencia (más confiable), no estoy seguro de dónde está obteniendo que la caja tiene la mitad de la energía con la que comenzó.
J. O'Brien Antognini el
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Hay una buena explicación en esta página web . Un pasaje clave es este:

en el espacio-tiempo curvo no existen estos "mejores" sistemas de coordenadas, los inerciales. Por lo tanto, incluso las diferentes opciones de coordenadas muy razonables pueden dar lugar a desacuerdos sobre las partículas frente a las antipartículas, o lo que es el vacío. Estos desacuerdos no significan que "todo es relativo", porque hay buenas fórmulas sobre cómo traducir entre las descripciones en diferentes sistemas de coordenadas. Estas son transformaciones de Bogoliubov.

En particular, continúa diciendo

Por un lado, podemos dividir las soluciones de las ecuaciones de Maxwell en frecuencia positiva de la manera más evidente que alguien que esté lejos del agujero negro y lejos en el futuro lo haría ...

y, por otro lado, podemos dividir las soluciones de las ecuaciones de Maxwell en frecuencia positiva de la manera más evidente que alguien del pasado, antes de que ocurriera el colapso en un agujero negro, lo haría.

Así, lo que el observador en el pasado pensó que era un espacio genuinamente vacío sin partículas (no virtuales) o antipartículas, un observador en el futuro lejano podría ver como un espacio con partículas (y antipartículas) perfectamente buenas. Esas partículas son radiación de Hawking.

Steve Linton
fuente